全固態(tài)266 nm紫外脈沖激光器研究

張 辰，高蘭蘭，邵志強

(長春理工大學理學院，吉林長春130022)

1 引言

紫外波段激光器(UV)，由于波長短，能量更集中，分辨率高，在很多領域得到廣泛應用［1］。如工業(yè)零部件加工、微電子學、光譜分析、光數(shù)據(jù)存儲、光盤控制、大氣探測、光化學、光生物學、空間光通信及醫(yī)療等領域有著廣泛的應用前景［2］。特別是在工業(yè)加工領域，由于UV激光的短波長和高光子能量特點，其聚焦光斑可以更小，同時高能量UV光子直接破壞材料的分子鍵，相對于紅外激光的“熱熔”過程，UV激光加工時是“冷蝕”效應。這使得加工的尺寸可以更小，加工的精度得到提高［3］。以355 nm和266 nm為代表的全固態(tài)UV激光在工業(yè)加工領域已經(jīng)得到了廣泛應用。

2003年，日本三菱公司和大阪大學合作，報道利用200W綠光作為基頻光，采用15 mm長的Ⅰ類相位匹配CLBO作為FOHG晶體對綠光倍頻，得到了40 W的266 nm UV激光輸出。2006年，中國科學院物理研究所報道了采用CLBO晶體對平均功率120 W綠光激光器進行倍頻，得到28.4 W的266 nm UV激光［4］。2007年，中科院物理研究所耿愛叢等報道采用CLBO晶體對平均功率5 W 532 nm綠光倍頻，產(chǎn)生平均功率1.3 W的實用化266 nm激光［5］。2012年，趙書云等報道通過LD斷面泵浦Nd∶YVO4晶體，通過LBO晶體倍頻，BBO晶體四倍頻產(chǎn)生的平均功率1.12 W的實用化266nm激光［6］。

目前，國內(nèi)外對266 nm激光器的研究與報道仍集中在大功率LD或其列陣作泵浦源來實現(xiàn)紫外激光輸出，而小功率LD泵浦266 nm激光器的研究與報道依然不多。通常情況下，對簡單直型腔266 nm激光器的報道多采用腔外直接倍頻與四倍頻的方式或采用耦合腔結構對基頻光腔內(nèi)倍頻產(chǎn)生綠光的方式。

本文通過在1064 nm基頻光諧振腔外插入基頻光反射鏡，與基頻光輸出鏡構成簡單外諧振腔的方式，以此提高基頻光到綠光的轉(zhuǎn)化效率。采用4.6 W LD端面泵浦Nd∶YAG晶體，產(chǎn)生1064 nm基頻光，通過KTP晶體Ⅱ類相位匹配倍頻，產(chǎn)生平均功率為154 mW，重復頻率為12.1 kHz的532 nm激光，與KTP腔外直接倍頻相比，532 nm激光的平均功率提高了3倍，單脈沖能量和峰值功率提高了2倍，這有利于四倍頻轉(zhuǎn)化效率的提高。再通過BBO晶體Ⅰ類相位匹配腔外四倍頻，得到平均功率3 mW的266 nm激光。

2 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Schematic of experimental setup

M1為凹面鏡，曲率半徑為50 mm，鍍有808 nm高透和1064 nm高反射膜。M1、M2構成1064 nm基頻光諧振腔，M2為平面鏡，鍍有1064 nm部分反射膜，T=10%，兩鏡相距15 mm。M3為凹面鏡，曲率半徑為50 mm，鍍有532 nm高透和1064 nm高反射膜，與 M2相距10 mm。LD最大輸出功率為4.6 W，波長為808 nm。工作物質(zhì)為 Nd∶YAG晶體，尺寸為φ3 mm×5 mm，摻雜濃度為1.0%，兩端鍍有808 nm和1064 nm雙增透膜。

試驗中選用Ⅱ類臨界相位匹配KTP晶體進行倍頻，KTP晶體兩面鍍1064和532 nm雙增透膜，尺寸為2 mm ×2 mm ×9 mm，切割角 θ=90.0°，φ =25.2°，此時有效非線性系數(shù)為 3.58 pm/V，為了實現(xiàn)Ⅱ類臨界相位匹配，KTP晶體光軸與水平成45°放置。

目前四倍頻晶體可選用的比較少，有BBO和CLBO。CLBO雖然具有比較好的性能，但是潮解嚴重，且目前國內(nèi)無法提供其產(chǎn)品，BBO晶體是比較優(yōu)秀的四倍頻晶體，其有效非線性系數(shù)大，并且市場上可以買到非常成熟的產(chǎn)品。實驗中采用BBO晶體作為四倍頻晶體，BBO晶體雙面鍍1064 nm、532 nm和266 nm增透膜，其切割角θ=44.7°。試驗中我們選用被動調(diào)Q的方式，在諧振腔中插入Cr4∶YAG晶體進行調(diào)Q。

由于系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)Q后可以達到較高的峰值功率，因此未采用額外的聚焦系統(tǒng)，這樣使整個系統(tǒng)非常緊湊。

裝置中采用的晶體用銦箔包裹，放入銅槽并用TEC溫控。

3 實驗結果

在實驗中，首先將KTP晶體與BBO晶體移除，并將M3移出諧振腔，M1與M2構成1064 nm激光諧振腔，獲得平均功率401 mW的1064 nm調(diào)Q激光輸出。然后將KTP晶體直接放在M1、M2腔外，此時構成腔外倍頻532 nm激光器的結構，獲得532 nm綠光輸出，我們稱之為第一種情況。然后將M3放入系統(tǒng)中，與M2構成532 nm外諧振腔，此時我們稱之為第二種情況。

兩種情況下532 nm綠光平均功率輸出曲線如圖2所示:第一種情況下，在LD抽運功率為4.6 W時，綠光平均功率為 50 mW，此時重復頻率為7.8 kHz，脈寬為 10 ns，峰值功率為 0.64 kW，單脈沖能量為6.4 μJ;第二種情況下，在LD抽運功率為4.6 W時，綠光平均功率為154 mW，此時重復頻率為11.7 kHz，脈寬為10 ns，峰值功率為1.32 kW，單脈沖能量為 13.2 μJ。

圖2 532 nm平均功率隨LD抽運功率的變化曲線Fig.2 Output power at 532 nm versus LD power

圖3為放入BBO晶體后266 nm紫外激光平均功率隨LD抽運功率變化曲線。當LD抽運功率為4.6 W，532 nm綠光平均功率154 mW時，輸出的266 nm紫外激光平均功率為3 mW。圖4為266 nm激光光斑，如圖所示，266 nm激光光斑成橢圓形，這是由BBO晶體走離效應所致。

圖3 266 nm激光平均功率隨LD抽運功率的變化曲線Fig.3 Output power at 266 nm versus LD power

圖4 266 nm激光光斑圖Fig.4 Spot shape of the 266 nm laser

4 理論分析

放入M3鏡，經(jīng)過KTP后沒有完全轉(zhuǎn)化的1064基頻光照射到M3后反射，再照射到M2鏡，因為M2對1064 nm基頻光反射率為90%，因此部分1064 nm基頻光會在此反射，其中部分基頻光會沿光軸再次通過KTP晶體，產(chǎn)生非線性轉(zhuǎn)化。因此在M2與M3構成的腔中，部分基頻光會重復通過KTP晶體，從而提高了非線性變頻的轉(zhuǎn)化效率，提高532 nm激光的平均功率及單脈沖能量。

由激光原理知，基頻光波到倍頻光波的轉(zhuǎn)化效率為:

式中，L為倍頻晶體的長度;deff是倍頻晶體的非線性有效系數(shù);n1是基頻光在倍頻晶體中的折射率;n2是倍頻光在倍頻晶體中的折射率;c是真空中的光速;I1(0)為入射的基頻光的光強;ω1為入射的基頻光頻率。由式(1)知，倍頻轉(zhuǎn)換效率正比于入射的基頻光波的光強I1(0)，由于光波光強與其功率密度成正比，因此倍頻轉(zhuǎn)換效率與入射的基頻光的功率密度也成正比關系，基頻光的功率密度越高，倍頻轉(zhuǎn)換效率也越高。因此，在腔外倍頻全固態(tài)激光器中，可以通過腔內(nèi)調(diào)Q的方式，獲得峰值功率密度高的基頻光，從而提高倍頻轉(zhuǎn)換效率。另外，越短的激光脈沖會產(chǎn)生越高的峰值功率密度，因此基頻光脈沖寬度越小則倍頻轉(zhuǎn)換效率越高［7－8］。

由實驗數(shù)據(jù)我們看出，放入M3透鏡之后，532 nm激光的平均功率提高了3倍，單脈沖能量和峰值功率提高了2倍，這有利于四倍頻轉(zhuǎn)化效率的提高。

5 結論

本文通過在基頻光諧振腔外插入基頻光反射鏡與基頻光輸出鏡構成簡單外諧振腔的方式，一定程度上提高了腔外倍頻產(chǎn)生綠光的非線性轉(zhuǎn)化效率，從而提高了四倍頻的轉(zhuǎn)化效率。

采用LD端面抽運Nd∶YAG晶體，利用Cr4+∶YAG的可飽和吸收被動調(diào)Q，KTP晶體倍頻，獲得532 nm脈沖輸出，再經(jīng) BBO晶體四倍頻，實現(xiàn)266 nm連續(xù)脈沖輸出。在LD注入功率為4.6W時得到532 nm倍頻光的平均輸出功率154 mW，與KTP腔外直接倍頻相比，532 nm激光的平均功率提高了3倍，單脈沖能量和峰值功率提高了2倍，這有利于四倍頻轉(zhuǎn)化效率的提高。得到266 nm紫外光的平均輸出功率為3 mW，實現(xiàn)了小功率全固態(tài)266 nm紫外激光器。該激光器采用了直型諧振腔設計，并對諧振腔結構改進與提高倍頻轉(zhuǎn)化效率進行了一些探索。

實驗中不足之處在于由于實驗條件限制，1064 nm基頻光輸出鏡M2未鍍有532 nm高反射膜，限制了倍頻轉(zhuǎn)化效率的提高。未來我們可能采取在輸出鏡S2面鍍532 nm高反射膜的方式，進一步提高倍頻光的轉(zhuǎn)化效率。此激光器結構簡單緊湊、調(diào)節(jié)容易、成本較低，在小型266 nm紫外激光器產(chǎn)品化方面具有一定應用價值。

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